植物中一氧化氮的氧化生物合成：CYP79s、N-OX FMOs和过氧化物酶协同作用的新途径

《Molecular Plant》：Biosynthesis of nitric oxide in plants: An oxidative pathway orchestrated by the interplay of CYP79s, N-OX FMOs, and peroxidases

本研究针对植物一氧化氮(NO)生物合成途径不明的关键科学问题，系统阐述了由CYP79s、N-OX FMOs和过氧化物酶(POD)协同催化的氧化合成新机制。研究人员发现该途径通过不同氨基酸底物产生特异性肟中间体，进而经POD催化生成NO和诊断性醛类化合物，部分醛类可转化为生长素。这一发现解决了长期困扰植物信号传导领域的NO来源之谜，为理解植物生长发育和环境适应机制提供了全新视角。

　　

在植物王国的信号分子万神殿中，一氧化氮(NO)堪称最小却功能强大的明星分子。这个简单的双原子气体分子，调控着从种子萌发到开花结果，再到应对环境挑战的几乎所有生命过程。然而，一个长期困扰科学界的谜团是：动物拥有专门合成NO的一氧化氮合酶(NOS)，但在高等植物中却始终找不到它的同源物。植物究竟通过何种精妙机制在特定时间、特定地点产生这种寿命极短、作用剧烈的信号分子？这成为了植物信号传导领域亟待攻克的“圣杯”级难题。

以往的研究多聚焦于硝酸盐还原途径，但越来越多的证据表明，植物体内存在一条不依赖NOS的氧化合成路径。特别是过氧化物酶被证明能够利用肟类化合物产生NO，但过氧化物酶在植物体内分布广泛、底物混杂，难以解释NO产生的时空特异性。问题的核心在于，那条能够精确调控NO合成的“签名酶”途径究竟何在？

为了回答这一根本问题，发表在《Molecular Plant》上的这项前瞻性研究，为我们勾勒出了一幅由三类关键酶——CYP79s、N-OX FMOs和过氧化物酶(POD)——协同演奏的NO生物合成交响乐。研究人员通过整合大量已有的基因组学、转录组学、酶学分析和突变体表型数据，提出了一个革命性的模型：细胞色素P450家族的CYP79s和黄素依赖性单加氧酶家族的N-OX FMOs充当了这场交响乐的指挥，它们负责将不同的氨基酸底物转化为相应的肟；而这些肟则是乐谱，被广泛存在的“演奏家”——过氧化物酶——用来“演奏”出NO这一特定音符。这种组合不仅解释了NO合成的特异性，其副产物醛类还与植物生长素合成直接关联，将信号传导与生长发育紧密联系在一起。

本研究的关键技术方法主要包括：利用植物基因组和转录组数据库（如1KP计划）进行系统发育分析以追踪CYP79和N-OX FMO的进化分布；通过异源表达（如在本氏烟叶片中瞬时表达）和体外酶活测定来验证CYP79和FMO的底物特异性及产物；利用基因敲除或RNAi技术（如在大戟和拟南芥中的研究）创制突变体，并通过表型分析和代谢物检测（如GLC/LC-MS检测醛类副产物）来推断基因功能；以及对公共转录组数据（如249个高粱转录组）进行深入挖掘以确定基因的组织特异性表达模式。

研究结果

CYP79s和N-OX FMOs作为潜在的NO生物合成签名酶

研究表明，CYP79家族酶普遍存在于种子植物中，能催化L-α-氨基酸经过两步N-羟化和后续反应生成相应的肟。例如，高粱基因组中含有9个CYP79A基因，它们在不同分生组织（如深层根组织、叶枕、叶鞘-节间连接处）呈现高度特异且低水平的表达模式，这恰好与NO在分生组织中的功能需求相吻合。更为有趣的是，系统发育分析发现，CYP79基因在蕨类、兰花（兰科）、石竹目等多个植物类群中完全缺失。取而代之的是，这些植物利用一类称为N-OX FMOs的酶（如蕨类中的FOS1、FOS2和达尔文兰中的OOS1-OOS6）来合成肟。这种CYP79和N-OX FMOs在不同植物类群中“此消彼长”的现象，是趋同进化的典型例证，也凸显了肟合成对于植物的重要性，使其成为NO氧化合成途径中当之无愧的“签名酶”。

过氧化物酶：催化NO生成的广泛存在但受控的执行者

过氧化物酶，特别是III类过氧化物酶，能够利用H₂O₂氧化多种底物。近期研究证实，包括辣根过氧化物酶(HRP)在内的过氧化物酶可以催化吲哚-3-乙醛肟等多种肟分解，生成NO和相应的醛，该反应是氧依赖性的并可被黄素增强。在拟南芥中，施用吲哚-3-乙醛肟能增加侧根数量，这与NO供体的效果类似，而在缺失PRX33和PRX34过氧化物酶活性的突变体中，NO的增加幅度减小。这些证据直接将过氧化物酶定位为NO生成的最终执行者。由于其底物广泛性和系统性表达模式，过氧化物酶本身不能提供特异性，其特异性由上游的CYP79s和N-OX FMOs提供的肟底物的时空分布所决定。

连接过氧化物酶、NO和肟合成的表型证据

对已有突变体表型的重新解读为这一新途径提供了有力支持。拟南芥prx53过氧化物酶缺失突变体表现出下胚轴伸长，而过表达株系则下胚轴缩短、花发育异常，这恰好与NO水平降低促进细胞伸长、升高抑制伸长的已知效应相符。同样，抑制AtPRX72导致木质部次生细胞壁变薄和苯丙烷途径基因（如MYB58, MYB103）表达下调，而NO已知可激活该途径，暗示PRX72的缺失可能通过减少NO产生影响了这一过程。在木薯中，利用RNAi技术阻断CYP79D1和D2的表达，不仅阻止了氰苷的合成，还导致了茎细长、节间长、根系发育严重受损的表型，这些都与NO缺乏的表型一致，因为缬氨酸和异亮氨酸衍生的肟无法用于NO生产。最有力的证据来自拟南芥的sur2突变体，该突变体缺失CYP83B1，导致吲哚-3-乙醛肟积累，进而通过过氧化物酶产生更多的NO和其副产物吲哚-3-乙醛（后者可氧化为生长素IAA），这完美地解释了其超级根的表型，也将NO和生长素的生物合成直接联系起来。

NO生物合成与生长素产生的直接耦合

该途径的一个关键特征是，过氧化物酶每产生一分子NO，就会同时产生一分子特异性的醛。当底物是色氨酸、酪氨酸或苯丙氨酸衍生的肟时，产生的醛（如吲哚-3-乙醛、对羟基苯乙醛、苯乙醛）恰好是已知的植物生长素（如IAA、对羟基苯乙酸、苯乙酸）的直接前体。这为一直存在争议的IAA生物合成途径提供了新的机制性解释，特别是长期缺失酶学步骤的“吲哚-3-乙醛肟至吲哚-3-乙醛”的转化，现在被证实可由过氧化物酶在产生NO的同时完成。这种NO与生长素合成的耦合，为理解这两种关键信号分子在协调植物生长发育中的相互作用提供了全新的分子基础。

研究结论与意义

这项研究系统地论证了一条在植物中由CYP79s、N-OX FMOs和过氧化物酶协同作用的氧化NO生物合成途径。该途径的核心在于，通过CYP79s或N-OX FMOs在特定组织和发育阶段的表达，精确地提供肟底物，进而由过氧化物酶催化产生NO和特定的醛。这一模型成功地解释了众多以往难以理解的遗传和生化现象，特别是将NO信号与生长素代谢紧密联系起来。

其重要意义在于：首先，它解决了植物NO来源这一长期悬而未决的根本问题，提出了一个在高等植物中普遍存在且可灵活调控的合成机制。其次，该途径将气体信号分子NO的合成与关键植物激素生长素的合成偶联，深化了我们对植物信号网络复杂性的认识。第三，研究揭示了自然界通过趋同进化解决关键代谢问题的策略，CYP79和N-OX FMOs在不同植物类群中独立进化出相同的肟合成功能，体现了生命演化的巧妙。最后，该研究甚至暗示，类似的基于FMO合成肟，再由过氧化物酶产生NO的途径，可能在动物（包括人类）体内也存在，为动物NO生物学研究开辟了新思路。

总之，这项研究将NO这一曾被人类视为工业废气的简单分子，重新置于自然界重要分子万神殿的中心位置，展示了植物如何利用精妙的酶学组合来驾驭其强大的生物学功能，为未来农业中改善作物抗逆性、优化生长发育提供了潜在的理论基础和新靶点。